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复杂地形区森林雷达遥感探测机理研究取得重要进展
时间:2018-05-29

  近日,遥感地球所遥感科学国家重点实验室碳循环遥感研究室倪文俭研究员带领团队,在复杂地形区森林雷达遥感探测机理研究中取得重要进展,构建了景观尺度相干森林雷达后向散射模型(LandSAR)”,成功刻画了地形、基线和地表覆盖类型等关键去相干因素的影响规律,证明了多波段雷达干涉数据协同可有效抵消地形影响,通过直接探测森林空间结构,实现对森林植被碳储量的高精度估算。 

  以欧美为主的发达经济体正在积极发展以森林植被碳储量及其动态变化监测为主要任务的卫星计划,如欧空局计划将于2020年发射一颗专门用于森林监测的P波段雷达卫星BIOMASS,美国将与印度合作计划于2020年前后发射具备对森林监测能力L波段和S波段雷达卫星NISAR。我国在“高分辨率对地观测系统重大专项”和“国家民用空间基础设施中长期发展规划”中已经部署了一系列雷达卫星,包括X波段、L波段、S波段和P波段。如何充分利用我国已有和正在部署的相关遥感卫星构建虚拟星座,形成我国自主的全球森林植被碳储量的监测能力,迫在眉睫。 

  利用合成孔径雷达进行森林植被碳储量监测已是国际共识,但其面临的关键难题之一是复杂地形问题,特别是我国森林主要分布在山区。深入理解复杂地形条件下电磁波与森林的相互作用机理,是发展高精度山区森林植被碳储量监测的关键。虽然国际上森林雷达后向散射建模研究已经历了三十多年的发展,实现了由非相干模型到相干模型的发展,对森林场景的描述从一维、二维、三维到真实场景,逐步细化,但现有模型主要着眼于描述像元尺度森林雷达后向散射特征的刻画,无法充分表达复杂地形条件下电磁波与森林的相互作用过程,制约着复杂地形条件下高精度森林植被碳储量监测算法的发展。 

  倪文俭研究团队以国际著名的Sun & Ranson三维森林雷达后向散射模型为基础,构建了“景观尺度相干森林雷达后向散射模型(LandSAR)”,实现了基于公里级山区森林场景的相干雷达图像的模拟。对X波段和L波段雷达干涉数据的模拟结果表明,LandSAR成功刻画了基线、地形和地表覆盖类型等去相干变化规律,证实了复杂地形条件下多模式协同得到的雷达穿透深度可用于高精度森林生物量监测。 

  该成果为充分利用我国已有和正在部署的多波段合成孔径雷达卫星构建虚拟星座,形成我国自主的全球森林植被碳储量监测能力奠定了理论基础。相关研究成果刊登于雷达遥感机理研究国际核心期刊IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing(2018,56(5): 2958-2967)。研究成果得到了973计划项目“复杂地表遥感信息动态分析与建模”、国家自然科学基金委项目和中国科学院“百人计划”项目的支持。 

LandSAR模拟的X波段雷达干涉数据及其处理结果:

(a) 雷达后向散射图像;(b)雷达干涉相干系数图;(c)雷达干涉纹图;(d)雷达干涉地形相位;(e)解缠后的地形相位  

LandSAR模拟数据再现的X波段雷达干涉相干系数随基线、地形和地表覆盖的变化规律 

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